某燃料電池汽車熱平衡測試研究

王志軍 閆美如 梁榮亮 郭婷 李志國

1.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司 天津市 300300 2.中國汽車技術研究中心有限公司 天津市 300300

1 前言

近年來環境污染日益加重，為減少污染，新能源車越來越普及，而氫能汽車是很好的方向。燃料電池汽車是電動汽車的一個重要分支，隨著2015 年日本豐田的燃料電池車MIRAI 開始在日本及北美市場銷售，國內外諸多研究人員的深入研究，我國也正式由實驗室研究階段轉向產業化階段，其燃料電池發動機與鋰電池相比，具有低溫啟動性好、壽命長、重量輕、續駛里程長、加氫時間短、對環境無污染 等特點，大規模的氫資源，燃料電池發動機發展潛力巨大。

黨中央提出要在2035 年之前達到碳達峰、2060 年前達到碳中和的戰略目標，在“雙碳”戰略背景下，政府對新能源汽車的發展高度重視。北京冬奧會上千輛燃料電池汽車的示范運行，會推動燃料電池汽車的銷量進一步增長。未來10 年將是燃料電池技術成本的下降期，非常有利于燃料電池汽車的普及發展。質子交換膜燃料電池電堆（以下簡稱電堆）是在一定溫度、濕度與壓力的條件下，將氧氣與氫氣在催化劑的作用下產生電能的系統。

2 燃料電池電堆熱管理簡介

電堆系統是燃料電池汽車動力系統的心臟，主要由空氣系統、氫氣系統、水熱管理系統以及控制系統等構成。其中水熱管理系統包括水泵、電池三通閥、電加熱器、散熱器總成、去離子器等裝置構成。

燃料電池中熱量來自4 個方面:①電池的不可逆性而產生的化學反應熱;②歐姆極化而產生的焦耳熱;③加濕氣體帶入的熱量;④吸收環境輻射熱量。電堆內部工作溫度對于其性能有很大影響，當燃料電池發動機的內部工作溫度升高時，會對電堆產生如下影響：①溫度升高，使H、O的擴散系數加大，改善了電極內氣體傳質。②溫度升高，使催化劑 Pt 的活性提高，反應速率加快。③溫度升高，使電化學反應的速度加快，電子在MEA 電極內運動加快，使質子H+傳遞速度加快，從而減小電化學極化現象，可獲得較大電流。④溫度升高，使質子交換膜內水擴散系數增加，因此，陰極電化學反應生成的水向陽極擴散的速度加快，從而使質子交換膜內水分布均勻。⑤溫度過高，使質子交換膜脫水、收縮甚至破裂，不僅使電池電導率下降，還會降低電池的使用壽命。;當電堆內部溫度低時，電池內部極化現象增強，歐姆阻抗也會隨之增大，從而導致電池性能的下降。保持電堆內部溫度處于適宜的溫度范圍，一般為60—90℃，是電堆熱管理系統的重要設計要求。

燃料電池汽車對熱管理的設計較之于傳統內燃機要求更高，因為燃料電池汽車尾排氣體的溫度大約為70℃，遠遠低于傳統內燃機尾排氣體的溫度，尾排只能帶走大概3%左右的熱量；另外電堆內部溫度一般為80℃左右，遠遠低于傳統內燃機的溫度，因此輻射帶走的熱量也很少。電堆大部分熱量都需要通過冷卻系統帶走。

在進行燃料電池熱管理系統設計時，應考慮以下幾點：①更大的散熱器。如果一個散熱器太大而無法布置，可以分成兩個或多個散熱器。②冷凝器不應放在散熱器前。冷凝器中的空氣被加熱到較高的溫度，會影響后面散熱器的熱交換。③風機應布置在散熱器后面，有利于保持氣流速度，便于帶走熱量。④應保持足夠的距離，以避免引起熱量的聚集。

考查燃料電池汽車在高溫下的工作情況，尤其是燃料電池電堆在高溫條件下是否工作正常，是燃料電池汽車研發過程中的必要環節。通常考查汽車的高溫性能試驗是在高溫地域如新疆吐魯番或者海南島進行，或者在環境艙（帶轉轂環境艙或者不帶轉轂的環境艙）內進行。本文將通過在不帶轉轂的環境艙內進行燃料電池汽車的高溫試驗，以考查燃料電池汽車能否在高溫環境下正常工作以及電堆進出水溫的變化情況。

3 試驗設計與測試方案

3.1 試驗樣車

本文選擇一款燃料電池公交車進行試驗，后面簡稱為樣車。樣車參數表如表1所示。

表1 樣車基本情況表

3.2 試驗方案

本次試驗在中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司進行，使用靜態環境艙進行環境模擬，并通過Vector 軟件調節電堆功率并維持一段時間，觀察樣車及電堆是否工作正常。制定如下試驗方案。

1）試驗前調整動力電池SOC 狀態至一個較低的狀態，因為在試驗過程中，樣車靜止不動，電堆產生的電量會不斷輸送至動力電池，避免因為動力電池SOC 較高出現無法充電，從而導致電堆停機的情況。

2）將樣車放置在環境艙內，將環境艙溫度調整至45℃并保持該溫度，浸車2 小時后開始試驗。

3）將電堆以36kW 的功率運行，試驗過程中空調等用電器件處于運行狀態，監控電堆進水口溫度、出水口溫度、電堆功率等參數，如果試驗過程中樣車及電堆系統出現故障，則將環境溫度降低至40℃，繼續進行試驗；如果依然有故障出現，則降低電堆的功率繼續試驗。

4）如果試驗過程中樣車及電堆沒有出現故障，則將逐次提升電堆的功率，每次持續運行一段時間，檢查樣車及電堆工作是否異常，是否出現故障。

4 試驗結果及分析

4.1 電堆功率36kW 的運行情況

當電堆的出水溫度與環境溫度45 ℃相差不超過1 ℃時，起動電堆并調節至36kW,并持續運行66min，在試驗過程中樣車及電堆均工作正常，無故障產生。

從圖1 中可以看到，在電堆起動時刻，電堆進水溫度43℃，電堆出水溫度44℃。隨著電堆運行的持續，電堆的進出水溫度持續升溫，在持續運行至660s 后，電堆的進出水溫度達到相對穩定的狀態，此時電堆的進水溫度為69℃，電堆的出水溫度為74℃，在運行至2700s 時，電堆的進出水溫度達到穩定狀態，此時電堆的進水溫度為72℃，電堆的出水溫度為77℃，此時的溫差為5℃，并一直保持不變。

圖1 電堆功率及電堆進出水溫度變化曲線

4.2 電堆功率46kW 的運行情況

樣車及電堆在36kW 功率下運行66 分鐘，工作正常，無故障產生，將電堆功率提升至46kW，并持續運行25 分鐘，期間樣車及電堆運轉正常，無故障產生。從圖2 中可以看到，電堆進出水的溫度先逐漸升高，當達到頂峰后，在緩慢下降直至維持在一個穩定的溫度范圍內。在400s 時，電堆的進出水的溫度達到最大，電堆的進水溫度為70℃，電堆的出水溫度是77℃，此時的溫差為7 ℃。在800s 的時候，進出水的溫度達到穩定，電堆的進水溫度是67℃。電堆的出水溫度是74℃，此時的溫差維持在7℃左右。

圖2 電堆功率及電堆進出水溫度變化曲線

4.3 電堆功率58kW 的運行情況

樣車及電堆在46kW 功率下運行25 分鐘，工作正常，無故障，將電堆功率調節至58kW，并持續運行20 分鐘，期間樣車及電堆運轉正常，無故障產生。

從圖3 中可以看到，電堆進出水的溫度逐漸升高，達到定點后逐漸降低，然后維持在一個穩定的溫度范圍內。在160s 時，電堆的進出水溫度達到最高，電堆的進水溫度為72℃，電堆的出水溫度為80℃，此時的溫差為8℃。在280s 時，電堆進出水溫度達到穩定，此時電堆的進水溫度為70℃，電堆的出水溫度為79℃，此時的溫差為9℃，并保持不變。

圖3 電堆功率及電堆進出水溫度變化曲線

4.4 電堆功率65kW 的運行情況

圖4 電堆功率及電堆進出水溫度變化曲線

樣車及電堆在58kW 功率下運行20 分鐘，工作正常、無故障，將電堆功率調節至71kW，維持250s 后，考慮電堆的額定功率為60kW，提升至71kW 有些激進，遂將電堆功率降至65kW，并維持24 分鐘，期間樣車及電堆工作正常，無故障產生。當把電堆的功率提升至71kw 的過程中，電堆的進出水溫度迅速升高，在320s時，電堆的進出水的溫度達到最高，此時電堆的進水溫度為73℃，電堆的出水溫度為82℃，此時的溫差為9℃，在將電堆的功率調整至65kw 時，電堆的出水溫度略有下降，降至81℃，電堆的出水溫度略有下降，降至72℃。在1200s 時，電堆的進出水溫度維持在穩定的水平，此時的電堆進水溫度是73℃，出水溫度是82℃，溫差為9℃。

4.5 電堆在不同功率下達到熱平衡時的溫度

表2 是電堆在不同輸出功率情況下，電堆進出水達到平衡時的溫度，從表中可以看到電堆進出水的溫差均小于10℃，在電堆功率為36kW 時，進出水的溫差為5℃。在進行電堆冷卻系統設計時，要求電堆內部各部分溫度基本一致，以保證其工作性能，為了提高電堆內部溫度的均勻性，避免電堆內部不同部分的溫差過高，一般要求電堆進出水溫差不大于10℃，最好小于5℃，同時溫差也不能太小，以免出現冷卻能力不足的情況。

表2 電堆不同功率下的進出水溫度

5 總結

本文選擇一款燃料電池公交車在靜態環境艙內進行45 ℃高溫試驗，不斷提升燃料電池電堆的輸出功率，燃料電池堆的輸出功率在36kW，46kW、58kW 以及65kW 情況下，樣車及燃料電池系統均工作正常，未發生故障。同時記錄了電堆進出水的溫度變化情況，在進出水溫度平衡的條件下，記錄電堆進出水的溫差，溫差處于10℃以內。